Как заинтересовать ребенка физикой? Вопрос, который волнует многих родителей. Физика — это скучно, считают многие школьники. Но не для тех, кто открыл книгу Юрия Вировца «Физика вокруг нас»! На этой неделе книга вышла уже третьим тиражом, подтверждая свою популярность среди детей и родителей.
Мы попросили Юрия рассказать о своем опыте и поисках ответа на вопросы: как превратить сложные законы физики в увлекательное приключение? Как пробудить в ребёнке интерес к науке и показать, что физика — это не просто формулы, а ключ к пониманию мира вокруг?
Как и с большинством вопросов, связанных с воспитанием детей, обращаться здесь надо прежде всего к себе: а вам было интересно на уроках физики, а какие у вас остались воспоминания о школьной физике. Вам-то это всё интересно? На 100% я уверен, что у большинства родителей, кроме тех, кто как-то связан профессионально с наукой или инженерией, о школьной физике остались смутно неприятные воспоминания, как о чём-то непонятном, сложном, и главное скучном.
И теперь мы приходим к детям и строго говорим: ты должен интересоваться тем и тем, не говоря о том, чтобы получать хорошие отметки. Хотя нам самим, если быть до конца откровенным с самим собой вся эта физика, вместе с химией, биологией и математикой совершенно по барабану.
Тем не менее мы хотим, чтобы дети были лучше нас, умнее, образованнее и всё такое.
Что же делать?
Я сам столкнулся с этим вопросом, когда мои дети проходили физику в школе, и я видел, как неинтересно им. Они просто учили как зайцы в цирке формулы, какие-то определения, и любая контрольная сводилась просто к оценке памяти, кто запомнил все нужные формулы и какие с ними нужно совершить манипуляции, тот и молодец. Естественно, всё это моментально вылетало из головы, как только уроки заканчивались.
Сам я тоже вовсе не физик и вообще не учёный, и когда-то закончил вовсе не физический, а химический факультет МГУ. Но тем не менее, физике нас тоже учили, и кое-то я помнил.
По моим наблюдениям, основная причина «скучности» физики в том, что он преподаётся как что-то предельно оторванное от реальной жизни и реального опыта ребенка. А ведь это, то есть реальный опыт это единственное, что у нас есть, и что нас (не только детей) интересует. Ведь интересные фильмы или книги потому и интересны, что в героях мы можем разглядеть частичку себя или того, кем мы бы хотели быть. Или ситуации в них, как-то связаны и ситуациями нашей жизни.
Какое это имеет отношение к физике? Такое, что, на мой взгляд, если попытаться «заземлить», привязать к повседневному опыту изучаемый предмет, а ещё добавить какого-то драматизма, связанного с персоналиями, то есть с учёными, которые двигали науку, иногда ценой своей жизни, свободы и здоровья, то можно пробудить у ребёнка другой, крайне важный элемент заинтересованности, а именно наблюдательность и следующее за ним любопытство.
Приведу простой пример. Каждый из нас ездил в лифте. Но многие ли обращали внимание, что когда лифт стартует вверх, то нас прижимает немного к полу? Это же естественно, скажете вы. А ничего естественного, - попробуйте поставить на пол лифта обычные напольные весы и встаньте на них. Вы увидите, что в момент страта вверх вы прибавляете 2-3 килограмма, а потом показания весов выравниваются. А когда лифт отправляется вниз, то теряете столько же в весе. Но как же так? Весы же — это точный инструмент, а его оказывается так легко обмануть. А теперь представьте, что лифт (не дай бог, конечно), находится в состоянии свободного падения, тогда, цифры на весах вообще обнулятся, ваш вес станет равным нулю. Тут как раз самое время поговорить о том, что масса и вес – это совсем разные понятия. Но мы зайдём с другого конца.
Представим, что ваш лифт находится в космосе. Все мы, конечно, видели космонавтов на космических станциях. Они летают в невесомости, и это совсем непривычно для человека. Однако, пусть наш лифт (или теперь уже ракета) включит двигатели и начёт разгоняться. Нас, как и космонавтов, начнёт прижимать к полу. Допустим, у нас там будут весы. И в какой-то момент, если ускорение будет достаточно сильным, то мы увидим на весах наш обычный земной вес. А теперь сделаем ещё один шаг, и представим, что мы спали и проснулись в странной капсюле без окон, но с весами на полу. От нечего делать мы встаём не них и видим наши обычные килограммы.
И тут происходит чудо. Мы понимаем, что, находясь в этой капсюле, мы никак не можем понять, она стоит неподвижно на земле, и наш вес – это результат действия гравитации, то есть силы притяжения земли, или мы движемся с ускорением в космосе, и цифры не весах – это результат ускорения за счёт работающих двигателей?
И тут самое время перейти к персоналиям. Эйнштейн (великий мастер мысленных экспериментов) обратил внимание на эту неразличимость, и сделал ещё один шажок. Если мы возьмём фонарик и в обычной неподвижной капсуле начнём светить на противоположную стенку, то луч света будет идти по прямой и создаст световое пятно напротив нас. Всё понятно и логично. Но если наша капсула движется с ускорением, то, чтобы попасть в точно то же место на противоположной стене, ему придётся слегка искривиться, ведь скорость света не бесконечна, и пока он будет лететь от стены к стене, капсула чуть-чуть сдвинется. Конечно, скорость света настолько велика, что это искривление никак нельзя зафиксировать. Но у нас же мысленный эксперимент! То есть ускорение заставило луч искривиться, а мы помним с самого начала, что мы не можем отличить действие гравитации от действия ускорения. И Эйнштейн пришёл к выводу, что гравитация, то есть одна из 4 фундаментальных сил в природе неотличима от действия ускорения, это в итоге привело его к формулировкам общей теории относительности, согласно которой массивные тела не просто притягивают друг друга, как учил нас Ньютон, а искривляют само пространство-время, в котором движется свет и всё остальное, включая нас самих.
А начиналось всё с обычных весов в лифте, и куда завела нас наблюдательность и любопытство.
Хорошо, мы совершили путь от обыденного к предельно абстрактному, какое-то пространство-время, искривления, галактики, космос и тому подобное. А что с нашим повседневной жизнью? А я отвечу, что, например, мы уже все привыкли пользоваться навигаторами, привязанными к спутниковым системам геолокации, таким как GPS или GLONAS. А как эти системы работают? Телефон «видит» несколько спутников и специальный чип измеряет расстояние до каждого из них, основываясь на времени прохождения сигнала. Это сигнал идёт почти со скоростью света и время измеряется наносекундами, и оказывается, что при таких точностях измерений не обойтись без релятивистских, то есть связанных с теорией относительности поправок, учитывающих, что Земля своей массой искривляет пространство-время. Без этих поправок, то есть если бы у нас не было общей теории относительности никакие навигаторы бы не работали. Вот так предельно абстрактные теории оказываются незаменимы в обычной повседневной жизни.
И физика вся наполнена такими примерами. Ещё один мой любимый – про эффект Доплера. Каждый из нас слышал сирену скорой помощи или полиции. НО не каждый обращал внимание, что когда машина приближается, тон сирены выше, чем, когда она удаляется. Тон – это высота звука, как в музыке – тон ноты ре выше, чем тон ноты до той же октавы. Почему так происходит? Звук – это колебания плотности воздуха. За зоной чуть более плотного воздуха следует зона чуть более разреженного. Вместе они действуют на наше барабанную перепонку в ухе и заставляют её вибрировать. В итоге мы слышим звук.
Но звук – не свет. Его скорость в воздухе довольно низкая – около 1200 км/час. Сравнимо со скоростью самолётов. Если машина с источником звука едет, например 100 км/ч – это уже почти 10% от это величины. И движущийся к нам источник звука как бы поджимает звуковые волны, расстояние между соседними становится чуть меньше, а это и означает более высокий тон. А когда машина начинает удаляться, то она наоборот, как бы растягивает звуковые волны за собой и тон их становится ниже. Это всё мы можем услышать каждый день на улице. И называется это эффектом Доплера. Отдельная история про него, как сын простого каменотёса без связей и протекций, благодаря своим способностям и полученному образованию стал директором института физики в Вене.
Физика вокруг нас с Юрием Вировцом. Часть 1. Эффект Доплера
Но дальше мы совершаем ещё один шажок, или шажище, и переносимся в космический масштаб. Большую часть своей истории люди считали, что звёзды неподвижны и вселенная – это что-то типа надувного мяча, в котором на определённых местах находятся звёзды, движутся кометы и планеты, ну и всё более или менее статично. НО тут выяснилось, что эффект Доплера, такой же как с машиной с сиреной, наблюдается у звёзд. Световые волны от них, доходящие до нас, как бы растянуты в длину, как если бы эти звёзд быстро от нас удалялись. Более того, чем дальше от нас находится звезда, тем она удаляется быстрее. То есть вся вселенная разлетается со всё более возрастающей скоростью!
Это вообще перевернуло с ног на голову всю картину мира! Фантастика!
А открыто это благодаря тому же эффекту, который мы можем услышать в городе своими ушами.
Все эти примеры я привожу для того, чтобы показать, как можно связать наш повседневный опыт с физическими законами управляющими миров в космических масштабах или, наоборот, в масштабах микромира.
Ну и конечно, игры и что-то поделать руками. Тоже пример из книги. Возьмём два кубика, лист бумаги, ножницы и клей. Задача из бумаги построить мост между двумя кубиками, который выдержал бы максимальный вес. Можно взять одинаковые монетки в качестве груза. Быстро становится понятно, что просто бумага, даже в несколько слоёв держит плохо, нужны какие-то идеи. А что насчёт свернуть бумагу в трубочку. Уже значительно прочнее. А построить из трубочек арку или соединить из в треугольники фермы. На самом деле выясняется, что из бумаги можно построить довольно прочную конструкцию. А заодно изучить базовые идеи сопротивления материалов и инженерных конструкций. А потом выйти на улицу и посмотреть на мосты в своём городе. К каком типу они относятся.
Физика вокруг нас с Юрием Вировцом. Часть 2. Закон Бернулли
Понятно, что это всё не строгие выводы и не точные законы, но это истории, которые могут побудить интерес и любопытство узнать что-то более подробно, и самое главное учебник начинает жить совсем другой жизнью, когда какая-нибудь скучная формула закона Ома обрастает вопросами, типа: а почему ток передаётся по проводам высокого напряжения, почему не низкого? Почему дырки в розетке не имеют значков плюс и минус, а концы батарейки имеют? И как это связано с эпической битвой двух великих изобретателей - Эдисона и Теслы.
Ну и завершая, я хотел сказать, что вся наша книга построена на таких историях, задача которых зажечь искру интереса. И ещё очень важно, возвращаясь к началу нашего рассказа. Очень важно, что родителям это всё тоже может быть очень интересно, даже если они ненавидели физику в школе. Совместное чтение вас захватит. А если у родителей горят глаза, то они наверняка загорятся и у ребёнка.
Читайте с удовольствием, развивайте в себе любопытство и наблюдательность и жизнь наполнится совершенно новыми красками. Не говоря уже о том, то и отметки у ребёнка обязательно улучшатся.
"Физика вокруг нас": Юрий Вировец отвечает на вопросы детей
Книга "Физика вокруг нас" на сайте издательства "Пешком в историю".